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案例頻道 摘要：本文介紹了風光牌高壓變頻在山東崔莊煤礦主扇風機上的應用情況，對節能效果進行了計算。
關鍵詞：高壓變頻器 主扇 應用
1 引言
隨著我國經濟的發展,各行各業煤炭的需求量也越來越大,各大型煤炭企業紛紛開辟新的礦井來擴大規模,并且利用各種技術降低生產成本，因此變頻器在煤炭行業的需求也就越來越大。
主扇風機是煤礦通風系統中最重要的一部分，它可以說是每一個井下工作人員的呼吸要道，因此它也是煤礦安全生產中最重要的一個環節。長期以來，礦井主扇風機的功率都比較大，而且一天24小時不間斷運行，礦井所需的風量都是通過調節風門擋板或葉片角度來實現，根據反風及開采后期運行工況要求，所設計的通風機及拖動的電動機的功率，通常遠大于煤礦正常生產所需的運行功率。風機設計上余量特別大，在相當長的時間風機一直處在較輕負載下運行，因此，煤礦通風系統中存在著極為嚴重的大馬拉小車現象，能源浪費非常突出。
2 現場簡介
崔莊煤礦位于山東省濟寧市微山縣，其主扇風機擔負著整個礦井的通風任務，要求安全穩定性極高，因為風機一旦停機，短時間內就將造成全礦無法正常生產，控制方式采用調節風門開度的大小來調整風量，這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門節流損失消耗掉了。不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗，從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下，針對這種情況，礦領導經過論證，最后決定選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP37系列的高壓變頻調速器，現場設備如圖1所示：
圖1 現場設備圖
3 風光高壓變頻器的突出特點
（1）采用高速DSP（TMS320F2812）作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準。系統升級更方便。
（2）飛車啟動功能：能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
（3）瞬間掉電再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電三秒鐘內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
（4）線電壓自動均衡技術（采用中性點漂移技術）：變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
（5）單元內電解電容因采取了公司專利技術（專利號ZL 2003 2 0107356.2 ），可以將其使用壽命提高一倍；高壓提升機產品采用了更長壽命的電力電容。
（6）運行過程中外部頻率給定信號出現故障（短路或開路），整機維持故障前的運行頻率不變，并能給出報警信號。
（7）單元串聯多重化結構，模塊化設計。這樣IGBT承受電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。
（8）具有雙路AC控制電源，一路為干式變壓器變壓以后的AC電源，一路為外部控制電源，這樣在調試過程中，無需加入高壓主電，就可以檢測輸出波形的正常與否。對于在現場安裝調試以及人員培訓很方便，同時也大大提高了培訓和運行的安全性。
4 現場技術參數
電動機參數如下表1所示：
表1：
風機類型：軸流風機。
設備布置采用抽出式通風方式，配備反風道反風，扇風機與電動機設于主機房內，主機房為雙層工業廠房，風道為半地下式。吸風側設兩個立閘門，兩個水平反風門，擴散器側兩個水平反風門，每個風門各用一臺風門絞車進行操縱，風門絞車采用就地操作。
傳動方式：直接傳動。
調節方式：手動操作風門絞車控制立閘門 （改變管路阻力特性曲線）。
5 變頻改造前存在的問題
（1）原工礦使用的為轉子串電阻啟動方式，啟動不穩定，造成了大的機械沖擊，導致電機壽命大大降低；
（2）轉子串電阻啟動時，控制系統復雜，故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機電刷容易損壞，維護工作量大；
（3）啟動時電流過大，對電網沖擊很大，影響電網的穩定性；
（4）主扇風機設計上余量大，主扇風機一直處在較輕負載下運行，由于采用檔板調節，因此造成能源浪費，增加了生產成本；
（5）自動化程度低，影響整體系統安全性。
6 變頻控制方案
為了滿足安全生產，選用一套6KV變頻調速器，通過切換，可以在變頻器故障狀態下，切換到工頻狀態運行，其主回路如下圖2所示：
圖2 主回路圖
QS1、QS2、QS3為三臺高壓隔離閘刀，QS1、QS3處于變頻運行回路上，KM1、KM2為變頻上電瞬間實現限流電阻切換時所用，K10為用戶工、變頻轉換改造時加的一個轉換開關。變頻運行時，QS1、QS3閉合， QS2斷開，K10打到變頻位置；變頻上電后，通過內部程序KM2會自動吸合將限流電阻引入主回路以消除大電流沖擊，上電3S后，KM1吸合，KM2斷開變頻可以投入運行。工頻運行時，QS1、QS3斷開，QS2閉合，K10打到工頻位置，實現原來的串電阻啟動方式。
這是高壓變頻器工變頻手動切換的典型應用，QS1、QS2、QS3不能同時閉合，這三個閘刀在機械和電氣上都實現了互鎖。
另外，為了安全，變頻故障信號和上一級的高壓開關柜也實現互鎖，實現高壓故障連跳功能。
風光高壓變頻器采用功率單元串聯多電平結構，由控制柜、變壓器柜、單元柜和開關柜組成。
每個功率單元結構上完全一致，可以互換，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，其電路結構見下圖3所示，
圖3 功率單元主回路
高質量電源輸入：輸入側隔離變壓器二次線圈經過移相，為功率單元提供電源對于6KV而言相當于30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網側諧波（尤其是低次諧波）的產生。變頻器引起的電網諧波電壓和諧波電流含量滿足IEEE 519-1992和GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》對諧波含量最嚴格要求，無需安裝輸入濾波器并保護周邊設備免受諧波干擾。正常調速范圍內功率因數大于0.96。無需功率因數補償電容，減少無功輸入，降低供電容量。
完美的輸出性能：單元脈寬調制疊波輸出， 6KV系列每相5個單元，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形幾近完美的正弦波，其輸出波形如下圖4所示：
圖4 變頻器輸出波形
7 現場應用情況
崔莊礦選用型號JD-BP37-400F風光變頻器，于2008年10月20日開始安裝調試，2008年10月25日一次性投運成功。變頻運行后，風門全部打開，運行頻率43Hz，運行電流24A，負壓1700Pa,不僅完全滿足煤礦生產工藝要求,而且用戶操作非常方便。變頻器運行非常穩定。
8 節能計算
按工頻和變頻運行實際電流計算，計算數據取2008年技術測定：
工頻運行時，風門開度為2m左右，運行電流在43A。
工頻運行時功率和一天耗電量：
P1= 1.732×6×43×0.77=344.08KW
N1=344.08×24=8257.90KW?h。
變頻器運行時，風門全開，運行電流在24A，由變頻器調節風機速度來滿足風量要求。
變頻運行時功率和一天耗電量：
P2=1.732×6×24×0.958=238.93KW
N2=238.93×24=5734.32KW?h。
節電率：
（N1-N2）/N1=（8257.90-5734.32）/8257.90=30%。
節約電費計算：
以該礦電價0.6元/ KW?h計算，工頻24小時耗電費：
8257.90×0.6=4954.74元。
變頻24小時耗電費：
5734.32×0.6=3440.59元。
變頻改造后，日節約電費：
4954.74-3440.59=1514.15元。
一年以300天為標準計算，年節約電費：
1514.15×300=454244.4元。
9 其他效益
（1）實現電機軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，延長設備使用壽命；
（2）系統安全、可靠，具有變頻故障轉工頻功能，確保風機連續運行；
（3）控制方便、靈活，自動化水平高；
（4）輸入諧波含量小，不對電網造成污染；輸出諧波含量低，適合所有改造項目的普通異步電動機；
（5）界面全為純中文操作，非常符合國人特點；
（6） 安全保護功能齊全，除了過壓、過熱、過載、短路等自身保護功能外，還設有外圍連鎖保護系統，提高了系統的安全穩定性；
（7）采集各臺扇風機運行的工藝參數、電器參數、電氣設備運行的狀況。
主扇風機可由PLC進行控制，嚴格按控制程序進行控制，并對扇風機正常切換和故障切換進行控制和操作指導，且在控制柜實現硬件閉鎖控制。
在控制站顯示扇風系統工藝參數表、電氣參數、設備運行狀態（工作、停止、故障）以及報警參數表等。
自動建立數據庫，對于重要的工藝參數、電氣參數自動生成趨勢曲線。
當運行風機發生故障時，利用運行記錄的曲線對故障進行分析和處理。
在條件具備時，可實現遠控，達到“無人值守”。
10 結束語
崔莊煤礦主扇風機經過變頻改造之后,不僅達到了良好的節能效果,并且使整套通風系統的穩定性提高了一個大臺階。隨著國家對節能減排工作的越來越重視，煤礦企業通過各種措施降低生產成本，其中變頻技術起到了關鍵作用，取得了明顯的經濟效益和社會效益，適應了國家建設資源節約型社會的潮流。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號